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化工原理课程设计任务书

设计题目：年产 5200 吨合成氨厂变换工段列管式热

交换器的工艺设计

一．基础数据

1.半水煤气的组成（体积%）

H2 36.69 CH4 0.31 CO 32.07 H2S 0.2 CO2 8.75 O2 0.2 N2 21.78 2.水蒸汽饱和半水煤气时的体积比为 1.2:1 ;饱和水蒸汽后湿混合煤气压力为 7.45 kgf/cm2(绝)；温度为 144 ℃；要求经热交换器后温度达到 378 ℃后再进变换炉。

3.变换率为 90 % ;变换炉出口变换气温度为 480 ℃，压力为 7.15 kgf/cm2 (绝)。

4.每年估计大修、中修两个月，年工作日按300天计。 5.每生产一吨氨需耗半水煤气量为 3562 标准米。

6.要求热交换器管、壳程的压力降均小于 250 毫米水柱。

二．设计范围

1.列管热交换器传热面积； 2.列管热交换器结构及工艺尺寸； 3.绘制列管热交换器结构图。

目录

摘要………………………………………………………………………………… 5 一．概述…………………………………………………………………………… 6 二．热交换器设计的主要因素…………………………………………………… 6 三．列管式换热器的设计步骤…………………………………………………… 7 3.1.物料衡算……………………………………………………………………… 7 3.1.1.净化前组成…………………………………………………………………7 3.1.2.净化后组成 ……………………………………………………………… 8 3.1.3.混合后组成 ……………………………………………………………… 9 3.1.4.变换气组成……………………………………………………………… 10 3.2.热量衡算及物性数据……………………………………………………… 11 3.2.1.冷、热流体的摩尔流率………………………………………………… 11 3.2.2.冷流体的物性参数……………………………………………………… 11 3.2.2.1.冷流体的定性温度…………………………………………………… 11 3.2.2.2.冷流体的比热………………………………………………………… 12 3.2.2.2.1.常压下，各气体在t 3.2.2.2.2.常压下，混合气在t_?261℃时的比热………………………… 12 ?261℃时的比热………………………… 12

_ 3.2.2.2.3.比热的校正………………………………………………………… 12 3.2.2.3.冷流体的黏度………………………………………………………… 13 3.2.2.3.1.各气体在t 3.2.2.3.2.混合气在t_?261℃时的黏度………………………………………13 ?261℃时的黏度………………………………………13

_ 3.2.2.4.冷流体的导热系数………………………………………………………14 3.2.2.4.1.各气体在t 3.2.2.4.2.混合气在t_?261℃时的导热系数…………………………………14 ?261℃时的导热系数…………………………………14

_ 3.2.2.5.冷流体的密度……………………………………………………………14 3.2.2.5.1.各气体在t 3.2.2.5.2.混合气在t_?261℃时的密度………………………………………14 ?261℃时的密度………………………………………15

_ 3.2.2.6.冷流体的吸热量…………………………………………………………15 3.2.2.7.冷流体的平均摩尔质量…………………………………………………15 3.2.3.热流体的物性参数…………………………………………………………15 3.2.3.1.热流体的出口温度T2………………………………………………… 15 3.2.3.2.热流体的定性温度………………………………………………………16 3.2.3.3.热流体的比热……………………………………………………………16 3.2.3.4.热流体的黏度……………………………………………………………16 3.2.3.4.1.各气体在T 3.2.3.4.2.变换气在T__?350℃时的黏度…………………………………… 17 ?350℃时的黏度…………………………………… 17

3.2.3.5.热流体的导热系数………………………………………………………17 3.2.3.5.1.各气体在T 3.2.3.5.2.变换气在T__?350℃时的导热系数……………………………… 17 ?350℃时的导热系数……………………………… 17

3.2.3.6.热流体的密度………………………………………………………… 18 3.2.3.6.1.各气体在T 3.2.3.6.2.变换气在T__?350℃时的密度…………………………………… 18 ?350℃时的密度…………………………………… 18

3.2.3.7.热流体的平均摩尔质量……………………………………………… 18 3.2.4.冷、热流体的物性表…………………………………………………… 18 3.3.冷热流体的流程安排…………………………………………………………19 3.4.管、壳程数的确定……………………………………………………………19 3.5.传热平均温差的计算…………………………………………………………19 3.6.估算传热面积…………………………………………………………………20 3.7.结构设计………………………………………………………………………20 3.7.1.管程设计—确定换热管规格、管数和布管…………………………… 20 3.7.2.设置拉杆………………………………………………………………… 21 3.7.3.确定管程流速u2………………………………………………………… 22 3.7.4.壳程设计………………………………………………………………… 22 3.7.4.1.确定换热管长度……………………………………………………… 22 3.7.4.2.管外传热面积的设计值A。…………………………………………… 22 3.7.4.3.设置折流板…………………………………………………………… 22 3.7.5.核算传热面积A……………………………………………………………22 3.7.5.1.管程对流传热膜系数αi………………………………………………23 3.7.5.2.壳程对流传热膜系数α。………………………………………………23 3.7.5.3.污垢热阻Ra的确定……………………………………………………25 3.7.5.4.管壁热阻……………………………………………………………… 25 3.7.5.5.传热系数k。…………………………………………………………… 25 3.7.5.6.核算传热面积A。……………………………………………………… 26 3.8.计算阻力压降………………………………………………………………… 26 3.8.1.管程阻力损失………………………………………………………………26 3.8.2.壳程阻力损失………………………………………………………………27 3.9.计算温差应力、确定热补偿方法…………………………………………… 28 3.9.1.换热管壁温的计算…………………………………………………………28 3.9.2.圆筒壁温的计算……………………………………………………………29 3.9.3.温差应力的计算……………………………………………………………30 3.9.4.确定热补偿方法…………………………………………………………^ 31 3.10.设计管箱和接管………………………………………………………………31 3.10.1.管箱……………………………………………………………………… 31 3.10.2.接管……………………………………………………………………… 31 3.11.确定换热管与管板连接方法…………………………………………………31